Small:MOF衍生碳化钼-PtCu纳米合金异质结构催化剂助力高效析氢

铂(Pt)等贵金属是电化学析氢反应(HER)最有效的电催化剂,但存在着成本高昂和资源稀缺等弊端。而要实现Pt等贵金属的高效利用,通过调控并优化其电子结构以大幅提升催化剂的催化活性不失为一条重要的研究路径。近年来,过渡金属碳化物(TMCs)因其高化学与结构稳定等特性被广泛研究。其中,碳化钼因拥有与Pt相似的d带结构被视为最具潜力的非贵金属催化剂之一。因此,如何将Pt基金属催化剂与碳化钼相结合,获得最大协同催化效果已成为目前研究的关键。然而,现阶段研究报道基本上是围绕碳化钼负载Pt展开,而对于建立碳化钼-Pt合金异质结构的报道却十分有限。因此,有必要在对Pt进行合金化处理的同时实现与碳化钼的有机结合,通过调控异质结构界面的电子结构改善其析氢催化本征活性。

近日,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室木士春课题组利用密度泛函理论(DFT)预测了碳化钼-PtCu合金(PtCu-Mo2C)异质结构对催化HER的优越性。在此基础上,他们巧妙地利用NENU-5作为前驱体,通过后续简易的退火步骤以及置换还原反应成功合成了PtCu-Mo2C异质结构催化剂,并系统研究了其析氢催化反应性能。

理论计算结果表明,PtCu-Mo2C异质结构的构筑改变了界面处的电子态分布,增强了电荷转移趋势。优化的电子结构改善了析氢反应(HER)中氢的吸附能,从而降低其反应热力学势垒。

图1. PtCu-Mo2C异质界面的差分电荷密度以及PtCu、Mo2C、PtCu-Mo2C三种H*吸附位点结构模型及其氢吸附自由能 (ΔGH*) 比较

利用NENU-5热解特性及温和的置换还原反应,木士春教授研究团队实现了所设想的PtCu-Mo2C异质界面催化材料的可控构筑。异质结构中PtCu纳米合金与Mo2C纳米颗粒的相互作用使得本征活性位点处电子结构得到优化。电化学测试结果显示,PtCu-Mo2C催化材料在酸性介质下对HER展现出优异的催化活性、快速的反应动力学及出色的耐久性。达到10 mA cm-2的电流密度仅需26 mV的过电位,其质量活性(-0.04 V时,为1 A mg-1Pt)是商业Pt/C催化剂的6倍。这项研究工作将为可控构筑高性能的合金催化材料和异质结构材料提供科学指导。

图2. 催化剂合成示意图、STEM图像及电催化性能表现。

论文信息:

Molybdenum Carbide-PtCu Nanoalloy Heterostructures on MOF-Derived Carbon toward Efficient Hydrogen Evolution

Chengtian Zhang, Qian Liu, Pengyan Wang, Jiawei Zhu, Ding Chen, Yue Yang, Yufeng Zhao, Zonghua Pu*, Shichun Mu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202104241

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202104241